物理研究所大面積優(yōu)質(zhì)氫化石墨烯的結(jié)構(gòu)與物理性能研究進展

物理研究所大面積優(yōu)質(zhì)氫化石墨烯的結(jié)構(gòu)與物理性能研究進展

石墨烯的發(fā)現(xiàn)及其獨特的性質(zhì)和巨大的應用價值，激發(fā)了人們對其它二維材料研究的熱情，擴展二維材料庫的重要途徑之一是通過外生原子與碳原子之間的化學鍵在國際上獲得功能化的石墨烯材料。Rinsic石墨烯和構(gòu)造新的類似石墨烯的二維原子晶體。例如，所有碳原子都與兩側(cè)的氫原子結(jié)合，形成完全氫化的石墨烯結(jié)構(gòu)，也稱為石墨烯；氫原子和碳原子是1:2的單側(cè)氫化石墨烯，在文獻中稱為石墨烯。然而，P實驗中大面積、高質(zhì)量的石墨烯氫化物的制備還很缺乏，對材料的結(jié)構(gòu)和物理性能的控制也很困難。

最近，中國科學院物理研究所/國家凝析油物理研究中心高洪軍研究組的陳輝、包德良、杜世璇等進行了實驗和理論計算。研究發(fā)現(xiàn)，在Ru（0001）上，采用大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯摩爾超晶格模板可以制備出三分之一的氫化石墨烯，與氫化前的石墨烯樣品相比，在石墨烯相應LEED晶格的3 3 3/r30位置出現(xiàn)了一套新的晶格（圖1），G和氫化石墨烯拉曼光譜中石墨烯晶格的二維特征峰表明，在Ru與石墨烯的界面上存在氫原子，并有效地削弱了石墨烯與金屬基體之間的強相互作用（圖1）。進一步的掃描隧道顯微鏡（STM）研究表明，氫原子與金屬基體的鍵合在一起。在石墨烯晶格中，以3/r30度的碳原子形成長程有序的雙面氫化結(jié)構(gòu)（圖2），并延伸到整個4毫米4毫米的表面。其中，碳氫比為3:1，因此稱為氫化石墨烯的三分之一。理論計算表明，石墨烯帶結(jié)構(gòu)的三分之一E呈現(xiàn)各向異性，即狄拉克錐在一個對稱方向上的半金屬性質(zhì)，而在另一個對稱方向上具有能隙的半導體性質(zhì)（圖3）。這項工作是實驗中報道的結(jié)晶氫化石墨烯的最大面積。為大面積石墨烯功能衍生物的制備及相關(guān)性質(zhì)的應用提供了新的思路，結(jié)果發(fā)表在《先進材料》30，1801838（2018）上。

上述研究工作得到了國家科技部（2013 CBA01600、2016 YFA02023、2016 YFA0300 904）、國家自然科學基金（61390501, 61725107, 51572290、11334006, 51761135130）和中國科學院的支持。

圖1。制備原理圖、LEED、拉曼光譜和1/3厘米級結(jié)晶石墨烯的大面積STM圖像。

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